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数字娱乐软件系统及关键技术研究

作 者: 陈思远
导 师: 王庆人
学 校: 南开大学
专 业: 控制理论与控制工程
关键词: 数字娱乐 虚拟现实 图形渲染 渲染优化 人工智能 物理仿真
分类号: TP319
类 型: 博士论文
年 份: 2009年
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内容摘要


数字娱乐是近年来计算机学科一个迅速发展的领域。它结合了计算机图形学、虚拟现实人工智能、网络通信等多项计算机技术,向用户提供逼真、生动、有趣的体验。数字娱乐产业作为一个新兴的文化产业,近年来在全球发展迅猛,而数字娱乐核心技术,不仅是这个产业的技术支柱,更可以广泛应用于国防安全、文化教育、工程设计等各个重要部门,对精神文化和国民经济的发展有着重要意义。数字娱乐产业目前在世界发达国家发展迅猛,已经成为文化产业的主导之一,相关核心技术已经过了十数年的快速发展。目前数字娱乐产业作为我国大力扶植的新兴绿色产业,迫切需要自主相关核心技术的支持。国内学界虽然在计算机图形学、虚拟现实等相关领域已经具备了一定的研究基础,但仍缺乏系统、完善和可应用于产业应用的研究成果。本文基于现实中的数字娱乐产业项目工作,将数字娱乐相关技术进行有机地结合,对数字娱乐软件系统进行了科学、完善地设计构造,并对所涉及的各具体技术方面提出了卓有成效、极具实际应用价值的实现方法。本文主要创新点有如下几个方面:第一,设计并实现了数字娱乐软件系统的中间件模式和系统扩展机制,建立了完整的中间件程序开发框架和应用部署机制,该方法可便捷的实现任何第三方技术与本文工作成果的集成,既提升了本文工作成果的扩展性和通用性,同时又为搭建松散耦合、功能完备的大规模数字媒体技术开发平台提供了重要的支撑。第二,提出并实现了基于渲染循环灵活控制的通用3D渲染系统框架,并用全新或改进的方法对天空绘制、光影绘制、地形系统等3D场景功能模块进行了有效的设计实现,可支持类型广泛的3D数字媒体技术应用。在实现完备图形绘制功能的基础上,针对各种应用提供了灵活的渲染循环二次开发封装模式,建立了通用的3D图形模块框架。第三,针对大场景3D实时渲染技术难题,提出并实现了三层通用优化渲染模型,针对场景级、模型级和GPU数据流级三个层次进行渲染优化,对现有各种渲染优化技术进行了创新性的改进和集成。包括应用改进的层次化硬件遮挡查询来进行可视化裁剪;应用金字塔型栅格来对模糊物体进行可视化裁剪,以及一个全新的优化模型网格排列的算法,等等。第四,在场景管理、人工智能、物理仿真等辅助技术进行了有效的开发集成。在实现相关核心技术的基础上,针对各种应用进行了二次开发封装,建立了通用的3D数字媒体引擎框架和基础软件工具包。最后,以多个实际产业应用中的项目案例,来对本文工作的系统性、有效性进行验证,从不同类型的现实应用项目,体现了本文工作的通用性和实用性价值。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-15
第一章 绪论  15-27
  第一节 研究背景与意义  15-16
  第二节 数字娱乐技术研究与发展现状  16-24
    1.2.1 硬件固化方式  17-18
    1.2.2 软件与主机分化的出现  18
    1.2.3 软件引擎的出现  18-19
    1.2.4 引擎和其他中间件的分类细化  19-24
  第三节 系统定义和研究目标  24-25
    1.3.1 数字娱乐软件系统定义  24
    1.3.2 系统研究目标  24-25
  第四节 本文的组织  25-27
第二章 数字娱乐软件系统体系结构  27-41
  第一节 引言  27
  第二节 数字娱乐软件系统架构  27-40
    2.2.1 本文系统架构的特点  28-30
    2.2.2 系统架构详细设计  30-40
  第三节 本章小结  40-41
第三章 图形绘制技术实现  41-71
  第一节 引言  41
  第二节 PC图形技术发展现状  41-48
    3.2.1 现代计算机图形学的产生  41-42
    3.2.2 图形渲染流水线  42-48
  第三节 图形子模块渲染功能设计与实现  48-70
    3.3.1 图形子模块的硬件平台需求  48-49
    3.3.2 常用渲染功能和默认渲染循环  49-67
    3.3.3 自定义渲染循环控制与应用  67-70
  第四节 本章小结  70-71
第四章 实时图形渲染优化技术  71-103
  第一节 引言  71
  第二节 渲染优化技术综述  71-78
    4.2.1 场景复杂度的优化  71-74
    4.2.2 物体自身复杂度的优化  74-76
    4.2.3 设备响应延迟的优化  76-77
    4.2.4 模型顶点数据的优化  77-78
  第三节 通用化3D渲染优化策略  78-83
    4.3.1 场景整体的优化策略  78-80
    4.3.2 使用“模糊系数”对物体优化类型进行分类  80-81
    4.3.3 使用三角形Strip衍生来优化模型网格排序  81-83
  第四节 多层次渲染优化设计与实现  83-96
    4.4.1 优化层次设计  83-84
    4.4.2 文件数据优化模块  84-88
    4.4.3 场景预处理模块  88-90
    4.4.4 可视化裁剪模块  90-95
    4.4.5 LOD模块  95
    4.4.6 数据流通信管理模块  95-96
  第五节 优化性能测试  96-102
    4.5.1 模型文件优化测试  96-100
    4.5.2 实时渲染性能测试  100-102
  第六节 本章小结  102-103
第五章 人工智能和物理技术  103-122
  第一节 引言  103-104
    5.1.1 AI技术的应用  103
    5.1.2 物理仿真技术的应用  103-104
  第二节 AI中的路径搜索功能设计与实现  104-115
    5.2.1 3D场景的空间规划  105-106
    5.2.2 AI Map中间结果生成  106-108
    5.2.3 对中间结果的路径搜索  108-110
    5.2.4 路径搜索任务调度算法  110-113
    5.2.5 路径搜索实验测试  113-115
  第三节 物理仿真功能模块  115-120
    5.3.1 物理引擎集成  115-117
    5.3.2 刚体物理模型与渲染对象之间的联动  117
    5.3.3 关节体物理模型与渲染对象之间的联动  117-119
    5.3.4 软体物理模型与渲染对象之间的联动  119-120
  第四节 本章小结  120-122
第六章 插件式中间件  122-128
  第一节 引言  122
  第二节 插件式系统部署  122-126
    6.2.1 插件式部署的特点  122-123
    6.2.2 插件机制的实现  123-126
  第三节 本章小结  126-128
第七章 现实应用实例  128-137
  第一节 引言  128
  第二节 第一人称视角游戏项目应用实例  128-130
  第三节 第三人称视角游戏项目应用实例  130-132
  第四节 虚拟车辆展示与驾驶项目应用实例  132-137
    7.4.1 车辆静态展示  132-134
    7.4.2 车辆驾驶模拟  134-137
第八章 总结与展望  137-140
参考文献  140-148
致谢  148-149
个人简历及在学期间发表的学术论文及研究成果  149-150

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机软件 > 专用应用软件
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